La domanda centrale nella caccia in corso materia oscura è: di cosa è fatto? Una possibile risposta è che la materia oscura è costituita da particelle note come assioni.
Un team di astrofisici, guidato da ricercatori delle università di Amsterdam e Princeton, ha ora dimostrato che se la materia oscura è composta da assioni, potrebbe rivelarsi come un sottile bagliore aggiuntivo proveniente da stelle pulsanti.
La Nebulosa del Granchio – ciò che resta dell’esplosione di una supernova che al suo centro contiene una pulsar. La pulsar fa illuminare la materia ordinaria sotto forma di gas presente nella nebulosa. Come hanno ora dimostrato i ricercatori, potrebbe fare lo stesso con la materia oscura sotto forma di assioni, portando a un sottile bagliore aggiuntivo che può essere misurato. Credito immagine: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.
La materia oscura potrebbe essere il costituente più ricercato del nostro universo. Sorprendentemente, si presume che questa misteriosa forma di materia, che i fisici e gli astronomi finora non sono stati in grado di rilevare, costituisca una parte enorme di ciò che è là fuori.
Si sospetta che non meno dell’85% della materia nell’universo sia “oscura”, attualmente visibile solo attraverso l’attrazione gravitazionale che esercita su altri oggetti astronomici. Comprensibilmente, gli scienziati vogliono di più. Lo vogliono davvero Vedere materia oscura – o almeno rilevarne direttamente la presenza, non solo dedurla dagli effetti gravitazionali. E, naturalmente: vogliono sapere Che cosa è.
Risolvere due problemi
Una cosa è chiara: la materia oscura non può essere lo stesso tipo di materia di cui siamo fatti tu e io. Se così fosse, la materia oscura si comporterebbe semplicemente come la materia ordinaria: formerebbe oggetti come stelle, si illuminerebbe e non sarebbe più “oscura”.
Gli scienziati sono quindi alla ricerca di qualcosa di nuovo: un tipo di particella che nessuno ha ancora rilevato e che probabilmente interagisce solo molto debolmente con i tipi di particelle che conosciamo, il che spiega perché questo costituente del nostro mondo finora è rimasto sfuggente.
Ci sono molti indizi su dove cercare. Un’ipotesi popolare è che la materia oscura possa essere costituita assioni. Questo ipotetico tipo di particella fu introdotto per la prima volta negli anni ’70 per risolvere un problema che non aveva nulla a che fare con la materia oscura.
La separazione delle cariche positive e negative all’interno del neutrone, uno degli elementi costitutivi degli atomi ordinari, si è rivelata inaspettatamente piccola. Gli scienziati ovviamente volevano sapere perché. Si è scoperto che la presenza di un tipo di particella finora non rilevata, che interagisce molto debolmente con i costituenti del neutrone, potrebbe causare esattamente un effetto del genere.
Il successivo premio Nobel Frank Wilczek inventò un nome per la nuova particella: assione – non solo simile ad altri nomi di particelle come protone, neutrone, elettrone e fotone, ma anche ispirato a un detersivo per bucato con lo stesso nome. L’assione era lì per risolvere un problema.
Infatti, nonostante non sia mai stato rilevato, potrebbe ripulirne due. Diverse teorie sulle particelle elementari, inclusa la teoria delle stringhe, una delle principali teorie candidate a unificare tutte le forze in natura, sembravano predire l’esistenza di particelle simili agli assioni.
Se gli assioni esistessero davvero, potrebbero costituire anche una parte o tutta la materia oscura mancante? Forse, ma un’ulteriore domanda che ha tormentato tutta la ricerca sulla materia oscura era altrettanto valida per gli assioni: se sì, allora come possiamo vederli? Come si fa a rendere visibile qualcosa di “oscuro”?
Fare luce sulla materia oscura
Fortunatamente, sembra che per gli assioni possa esserci una via d’uscita da questo enigma. Se le teorie che prevedono gli assioni sono corrette, non solo si prevede che essi saranno prodotti in serie nell’universo, ma alcuni assioni potrebbero anche essere convertiti in luce in presenza di forti campi elettromagnetici.
Una volta che c’è la luce, possiamo vedere. Potrebbe essere questa la chiave per rilevare gli assioni – e quindi per rilevare la materia oscura?
Per rispondere a questa domanda, gli scienziati hanno dovuto prima chiedersi dove si trovano nell’universo i campi elettrici e magnetici più forti conosciuti. La risposta è: nelle regioni circostanti le stelle di neutroni rotanti note anche come pulsar.
Queste pulsar – abbreviazione di “stelle pulsanti” – sono oggetti densi, con una massa più o meno uguale a quella del nostro Sole, ma un raggio circa 100.000 volte più piccolo, pari a soli 10 km circa. Essendo così piccole, le pulsar ruotano con frequenze enormi, emettendo stretti fasci luminosi di emissioni radio lungo il loro asse di rotazione.
Similmente a un faro, i raggi della pulsar possono attraversare la Terra, rendendo la stella pulsante facilmente osservabile.
Tuttavia, l’enorme rotazione della pulsar fa di più. Trasforma la stella di neutroni in un elettromagnete estremamente potente. Ciò, a sua volta, potrebbe significare che le pulsar sono fabbriche di assioni molto efficienti. Ogni singolo secondo una pulsar media sarebbe in grado di produrre un numero di assioni di 50 cifre.
A causa del forte campo elettromagnetico attorno alla pulsar, una frazione di questi assioni potrebbe convertirsi in luce osservabile. Cioè: se gli assioni esistono davvero, ma il meccanismo può ora essere utilizzato per rispondere proprio a questa domanda. Basta guardare le pulsar, vedere se emettono luce extra e, se lo fanno, determinare se questa luce extra potrebbe provenire dagli assioni.
Simulazione di un bagliore sottile
Come sempre nella scienza, effettuare effettivamente un’osservazione del genere non è ovviamente così semplice. La luce emessa dagli assioni – rilevabile sotto forma di onde radio – sarebbe solo una piccola frazione della luce totale che questi luminosi fari cosmici inviano sulla nostra strada.
Bisogna sapere con molta precisione cos’è una pulsar senza come sarebbero gli assioni e che pulsar con assoni, per poter vedere la differenza – per non parlare di quantificare tale differenza e trasformarla in una misurazione di una quantità di materia oscura.
Questo è esattamente ciò che un team di fisici e astronomi ha fatto ora. In uno sforzo di collaborazione tra Paesi Bassi, Portogallo e Stati Uniti, il team ha costruito un quadro teorico completo che consente una comprensione dettagliata di come vengono prodotti gli assioni, di come gli assioni sfuggono all’attrazione gravitazionale della stella di neutroni e di come, durante la loro fuga, , si convertono in radiazioni radio a bassa energia.
I risultati teorici sono stati poi inseriti in un computer per modellare la produzione di assioni attorno alle pulsar, utilizzando simulazioni numeriche del plasma all’avanguardia originariamente sviluppate per comprendere la fisica dietro il modo in cui le pulsar emettono onde radio.
Una volta prodotti virtualmente, è stata simulata la propagazione degli assioni attraverso i campi elettromagnetici della stella di neutroni. Ciò ha consentito ai ricercatori di comprendere quantitativamente la successiva produzione di onde radio e di modellare come questo processo fornirebbe un segnale radio aggiuntivo oltre all’emissione intrinseca generata dalla pulsar stessa.
Mettere alla prova i modelli di assioni
I risultati della teoria e della simulazione sono stati poi sottoposti ad un primo test osservativo. Utilizzando le osservazioni di 27 pulsar vicine, i ricercatori hanno confrontato le onde radio osservate con i modelli, per vedere se qualsiasi eccesso misurato potesse fornire prova dell’esistenza di assioni.
Purtroppo la risposta è stata “no” – o forse più ottimisticamente: “non ancora”. Gli assioni non ci saltano subito all’occhio, ma forse non ce lo aspettavamo. Se la materia oscura dovesse rivelare i suoi segreti così facilmente, sarebbe già stata osservata molto tempo fa.
La speranza di una scoperta definitiva degli assioni, quindi, è ora nelle osservazioni future. Nel frattempo, l’attuale mancata osservazione dei segnali radio degli assioni è di per sé un risultato interessante. Il primo confronto tra simulazioni e pulsar reali ha posto fino ad oggi i limiti più forti all’interazione che gli assioni possono avere con la luce.
Naturalmente, l’obiettivo finale è fare di più che limitarsi a fissare dei limiti: mostrare che gli assioni esistono o assicurarsi che sia estremamente improbabile che gli assioni siano un costituente della materia oscura. I nuovi risultati sono solo un primo passo in questa direzione; sono solo l’inizio di quello che potrebbe diventare un campo completamente nuovo e altamente interdisciplinare che ha il potenziale per far avanzare notevolmente la ricerca degli assioni.
Fonte: Università di Amsterdam
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
